200m自由飛彈道靶升級改造

焦德志, 黃 潔, 平新紅, 謝愛民, 羅錦陽, 柳 森

(中國空氣動力研究與發展中心, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

200m自由飛彈道靶是我國自行研制的彈道靶試驗設備，采用二級輕氣炮將試驗模型發射至真實飛行速度，然后讓模型在環境氣體真實、組分和壓力可調的靶室內自由飛行的方式開展試驗，具有綜合模擬高馬赫數、高雷諾數和高焓等飛行條件的特點，是國內唯一一座具備開展超高速范圍內的氣動力、氣動物理、材料抗粒子云侵蝕、高速/超高速碰撞等地面試驗研究的綜合性彈道靶設備。該設備1968年列入規劃，1975年設計，1986年完成主體設備和配套測量設備的安裝調試，經過幾十年的運行，該設備完成了多項科研試驗任務。

改造前的200m自由飛彈道靶配備37/50mm口徑二級輕氣炮，靶室直徑1.5m，長188m，真空模擬范圍1×105～6×103Pa，圖1為200m自由飛彈道靶靶室及測量系統照片，圖2為37/50mm口徑二級輕氣炮照片。

圖1 氣動中心的200m自由飛彈道靶靶室及測量系統

圖2 37/50mm口徑二級輕氣炮

根據高超聲速飛行器發展需求，對比國外先進的彈道靶設備[1-4]，200m自由飛彈道靶存在著發射器口徑和靶室直徑偏小、發射過載偏大、環境模擬能力不足、速度測量精度偏低、模型姿態和流場顯示系統測量視場小等缺點。為滿足各類高超聲速飛行器氣動力特性、材料抗粒子云侵蝕、高速/超高速碰撞等試驗研究不斷發展的需求，2009年，氣動中心提出了200m自由飛彈道靶的升級改造任務。

1 改造前設備的試驗能力

改造前的200m自由飛彈道靶總長約240m，主要由發射器系統、靶室系統以及配套測量系統構成(圖3)，其中發射器總長約40m，靶室總長約200m。發射器系統配備37/50mm口徑二級輕氣炮(圖2)，彈丸質量范圍34～680g，發射速度1～6.5km/s(實測數據見圖4)。該發射器配備有完善的勤務運行系統，最高運行頻率為3次/天，為目前國內同等規模發射器中運行效率最高的彈道靶設備之一。靶室系統主要由洞體及配套的真空系統構成，洞體由膨脹室和試驗段構成，膨脹室直徑2m，試驗段直徑1.5m，原設計壓力為0.1MPa～13.3Pa，可實現0～60km左右高度范圍內的模擬。真空系統配備3套H-600滑閥式真空泵，經過多年使用，目前真空能力只能達到6×103Pa。

圖3 原200m自由飛彈道靶

圖4 37/50mm口徑二級輕氣炮發射能力(實測值)

配套試驗及測量系統主要包括陰影照相系統、速度測量控制系統、雨/雪侵蝕系統等。陰影照相系統配備有測試視場Ф300mm、Ф400mm和Ф500mm的陰影儀共計30站，可實現模型姿態、流場密度等的測量和顯示。速度測量控制系統配備有25套TC300/400模型探測器、20臺測控儀及1套數采系統，探測范圍可達到400mm，測速精度1%。雨雪場侵蝕系統包括侵蝕場生成裝置、雨雪模擬裝置和軟回收裝置等，可實現雨滴直徑1.2～1.7mm，雪場濃度20～60g/m3的侵蝕場模擬。

在200m自由飛彈道靶上開展過的試驗有：抗粒子云侵蝕試驗、模型自由飛試驗、轉捩試驗、超高速碰撞試驗等[5-7]。

2 改造內容

針對200m自由飛彈道靶存在的不足，結合高超聲速飛行器發展需求，2009年，氣動中心提出了200m自由飛彈道靶升級改造的任務并正式啟動，其改造內容主要包括：發射器系統、靶室/真空系統、測控系統、模型姿態測量系統等的升級改造。

發射器系統新增203mm和120mm口徑二級輕氣炮，實現0.5～30kg模型發射速度0.3～5km/s的發射能力；靶室由原來的Ф1.5m洞體升級至Ф3m洞體，同時配備新的真空設備，實現0～80km高度模擬；測控系統測試視場由原來的400mm擴大至1000mm，以滿足大模型測速需要；模型姿態測量系統除配備陰/紋影照相系統外，還將新增雙目前光成像定位系統、脈沖X射線成像測量系統、基準系統等測試設備，可實現超高速模型在靶室飛行過程中的模型姿態、流場的可靠測量。

3 改造后的試驗能力

改造后的200m自由飛彈道靶總長達310m，將配備37/50、120和203mm口徑二級輕氣炮，發射器最大長度105m；靶室直徑Ф3m，長度197.5m，最高真空度10Pa，最大模擬高度80km；測試系統配備陰影照相系統13站，雙目前光成像定位系統30站，TC400模型探測器15站，TC1000模型探測器30站，脈沖X射線測量系統1套等。建成后的200m自由飛彈道靶如圖5所示。發射器系統配備37/50、120和203mm口徑二級輕氣炮，三座二級輕氣炮可互換使用，共用同一個支撐平臺。二級輕氣炮的內彈道計算采用氣動中心編制的內彈道計算程序進行[8]；新增的120mm和203mm口徑二級輕氣炮發射模型質量范圍為0.5～30kg，發射速度范圍為0.3～5km/s，將8kg模型發射到4.5km/s時發射過載低于4×104g，可實現復雜外形模型的超高速發射。120mm和203mm二級輕氣炮發射能力曲線見圖6，8kg模型發射至4.5km/s時的發射過載曲線見圖7。

圖5 改造后200m自由飛彈道靶

圖6 200m自由飛彈道靶發射器發射能力曲線圖(計算值)

改造后200m自由飛彈道靶靶室內徑Ф3m，由爆震段、碰撞室和試驗段構成，總長度約200m，洞體上開設有各類測試窗口，以滿足測試設備的安裝和測試需求。真空系統采用3套羅茨真空機組，最大抽速為1.5×104L/s，機組極限真空為0.5Pa，靶室壓力范圍為0.1MPa～10Pa，可實現0～80km的高度模擬，并具備雨、雪天氣模擬能力。

圖7 彈丸發射過載曲線(模型質量8kg，速度4.5km/s)

測控系統配備TC400和TC1000模型探測器，測試視場分別為400mm和1000mm，用于不同尺寸模型的速度測量，測量精度優于3‰。模型姿態測量系統配備陰影照相系統、雙目前光成像定位系統、脈沖X射線成像測量系統、超高速攝影、TC400速度測量與控制系統和TC1000速度測量與控制系統等。陰影照相系統測試視場為Ф400mm和Ф500mm，共13站，雙目前光成像定位系統測試視場為Ф1000mm，定位精度±1mm，共30站；脈沖X射線成像測量系統電壓范圍為150～450kV，測量序列為三序列；超高速攝影幅頻為500萬fps/s。

截止到2013年10月，中國空氣動力研究與發展中心已完成200m自由飛彈道靶靶室及真空系統和37/50mm口徑二級輕氣炮的改造任務，并形成試驗能力。120mm口徑二級輕氣炮加工任務已基本完成，速度測量系統和雙目前光成像系統等測試設備及配套系統正在進行現場安裝調試。預計到2014年10月，120mm口徑二級輕氣炮將初步具備試驗能力。

改造后的200m自由飛彈道靶發射系統具備從質量40g的小模型到質量30kg大模型的發射能力，實現大尺寸高仿真模型的超高速發射；測試系統具備測試視場為Ф300～Ф1000mm大尺寸模型的速度和姿態測量。

4 應用展望

改造后的200m自由飛彈道靶將成為大中小口徑發射器配套齊全，具備氣動力、氣動物理、材料抗粒子云侵蝕、高速/超高速碰撞等試驗能力，測試手段先進的綜合性彈道靶設備。

在氣動力研究方面，可開展飛行動穩定性，邊界層轉捩和分離尾流的轉捩、增長及其尾流特性，真實氣體效應，表面壓力測量等試驗；

在氣動物理研究方面，可開展再入目標光電特性、目標隱身特性、燒蝕對尾流流場影響、繞流和尾流的等離子特性、再入通訊中斷等試驗與研究；

在超高速碰撞研究方面，可開展材料抗粒子云侵蝕試驗、高速/超高速碰撞試驗、材料特性試驗、模型與固體及液體粒子侵蝕/燒蝕現象等試驗；

在氣動熱研究方面，可開展燒蝕試驗，表面熱流測量試驗，頭部發汗冷卻試驗等；

在飛行演示驗證研究方面，可開展先進航天器飛行演示驗證、超燃發動機帶動力模型飛行演示、飛行器穩定性飛行驗證試驗等。

參考文獻:

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作者簡介:

焦德志(1984-)，男，山東泰安人，碩士，工程師。研究方向：彈道靶設備及模型設計。通訊地址：四川省綿陽市中國空氣動力研究與發展中心(621000)。E-mail：jiaodezhi198499@163.com